基于matlab的凸轮优化设计精品资料.doc

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1、摘 要配气机构是内燃机的重要组成部分，配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零件，如何设计和加工出具有合理型线的凸轮是整个配气系统设计中最为重要的问题。文章首先对凸轮进行分段设计，然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次方程凸轮运动规律设计通过Matlab软件进行凸轮型线的优化设计，根据摇臂比计算气门运动规律，然后通过变摇臂比对凸轮运动规律进行反求，借鉴高次方程的凸轮设计经验，得出一种凸轮设计的新方法，对气门运动规律进行优化设计，将新设计凸轮型线与原始凸轮型线进行对比，分析出新设计比原设计上在升程、速度和加速度方面所得到的提高，据此得出新设计对配气机构乃至整车所发挥的作用。关键词：凸轮；高次方程

2、；变摇臂比；优化设计ABSTRACTIt is the importance of the internal combustion engine to constitute part to go together with to annoy organization, go together with to annoy a cam is to decide to go together with the key spare parts of annoying the organization work function, how design and process to submit the

3、 cam of having the reasonable type line is the most important problem in the whole design that go together with to annoy system.The article carries on a cent to the cam first segment design, then make use of the biggest speed and the biggest acceleration position exercises according to Gao power dis

4、tance cam the regulation design carry on a cam type through a Matlab software line of excellent turn a design, according to shaking an arm ratio to compute air valve sport regulation, then pass and change and shake arm compare exercise to the cam the regulation carry on anti- beg, draw lessons from

5、Gao power distance of cam design experience, get a kind of cam design of new method, to air valve sport the regulation carry on excellent turn a design, will lately design a cam type the line and original cam type line carry on contrast and analyze lately design ratio original design up gain in the

6、aspects of rising distance, speed and acceleration of exaltation, on these grounds get a new design to go together with to annoy organization is to the whole car develop of function.Key words: cam; high index number equality; proportion of changing; optimization design 目 录1绪论11.1配气凸轮结构形式及特点11.1.1等加速

7、凸轮11.1.2组合多项式型21.1.3高次方凸轮21.1.4多项动力凸轮21.2配气机构动力特性计算模型31.2.1单质盆模型31.2.2二质量模型31.2.3多自由度模型31.2.4有限元模型31.3配气凸轮型线设计国内外研究现状41.4配气凸轮优化设计方法51.4.1静态优化设计61.4.2动态优化设计61.5凸轮优化设计总结71.6课题研究主要内容82基于高次方程凸轮型线设计92.1普通高次多项式凸轮型线的设计92.1.1缓冲曲线的设计102.1.2工作段运动曲线设计122.2高次多项式凸轮的新型设计方法142.3汽油发动机凸轮型线的改进设计152.3.1汽油机配气凸轮型线设计的原则1

8、52.3.2发动机进气凸轮的改进设计162.3.3改进凸轮型线设计的MATLAB实现172.4本章小结193基于高次方程的气门理想运动规律计算203.1气门设计理论基础203.2气门运动规律要素203.2.1气门有准确的配气相位203.2.2良好的充气性能203.2.3工作平稳203.3气门运动规律的设计213.4本章小结214利用变摇臂比反求凸轮型线224.1计算变摇臂比224.1.1摇臂的运动学分析224.1.2摇臂比的计算234.2确定凸轮的升程函数244.3分析原设计与变摇臂比设计244.4本章小结265总结与展望285.1总结285.2展望28参考文献30致 谢32 II天津职业技术

9、师范大学2011届毕业生毕业设计1绪论近年来我国经济快速发展，人民生活水平迅速提高，我们对生活质量也提出了越来越高的要求。但我们周围的生活环境却越来越恶化全球气温变暖，酸雨不断致使植物死亡等，都在一步一步的威胁着我们人类的生存。据统计，90以上的污染来自内燃机的废气排放。所以要改善我们的生活环境，其首要的任务就是降低、限制内燃机的废气排放。低污染、低油耗、大功率、大扭矩的内燃机也就是我们的追求目标。配气机构是内燃机的重要组成部分，配气机构的好坏对内燃机的性能指标有着很重要的影响。一般配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值。与此同时，配气机构还应具有良好的动力性，工

10、作时运动平稳。振动和噪声较小，不出现严重的磨损等现象。这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及不太大的正、负加速度值。而整个内燃机配气凸轮机构是由配气凸轮驱动的，所以配气机构的这些性能指标在很大程度上取决于配气凸轮的结构，尤其是当发动机转速提高以后，凸轮型线设计的优劣对发动机的充气性能和动力性能的影响更大13。在凸轮型线设计中，采用最优化技术以来，经历了静态优化设计、动态优化设计和系统优化设计三个阶段。本文将从优化配气凸轮型线设计的角度进行配气机构的优化设计15。1.1配气凸轮结构形式及特点配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零件，如何设计和加工出具有合理型线的凸轮轴是整个配

11、气系统设计中最为重要的问题。对内燃机气门通过能力的要求，实际上就是对由凸轮外形所决定的气门升程规律的要求，气门开启迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧、机构动力特性变差。因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应该观察所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决发动机配气凸轮外形的设计也就是对凸轮从动件运动规律的设计。从动件升程规律的微小差异会引起加速度规律的很大变动，在确定从动件运动规律时，加速度运动规律最为重要，通常用其基本工作段运动规律来命名，一般有下面几种：1.1.1

12、等加速凸轮等加速凸轮的特点是其加速度分布采取分段为常数的形式，其中又可分为两类，一类可称为“正负零型”，指其相应的挺柱加速度曲线为正负零：另一类可称“正零负型”，指其加速度曲线为正一零一负。当不考虑配气机构的弹性变形时，对最大正负加速度值做一定限制且在最大升程、初速度相同的各种凸轮中，这种型式的凸轮所能达到的时面值最大。等加速型凸轮常常适用于平稳性易保证，而充气性能较差的中低速柴油机中。但就实际情况而言，配气机构并非完全刚性，等加速凸轮加速度曲线的间断性必然会影响机构工作平稳性，在高速内燃机中一般不采用等加速型凸轮9。1.1.2组合多项式型组合多项式型凸轮的基本段为一分段函数，它由几个不同的表

13、达式拼接而成。通过调整各段所占角度及函数方程，获得不同斜率的加速度曲线。组合多项式型凸轮时面值大，而且能够方便地控制加速度变化率及确保正、负加速段间的圆滑过渡，可以较好地协调发动机充气性能及配气机构工作平稳性的要求7。由于凸轮从动件运动规律由若干函数组成，在各段间联结点处不易保证升程规律三阶以上导数的连续性，可能会影响配气机构工作的平稳性，组合多项式型凸轮主要应用在要求气门时面值大和较好动力性能的情形。1.1.3高次方凸轮高次方凸轮是目前整体式的函数凸轮型线中应用较为广泛的一种。它的基本段挺柱升程函数是高次多项式，项数和幂次的选取有一定的任意性。一般情况下，幂指数越大，升程曲线就越丰满，且最大

14、负加速度越小，而使凸轮外形最小曲率半径增大，有利于减小该处接触应力、降低磨损。但是其负加速度初段形状不理想，往往会提高对弹簧的要求，而且还使最大正加速度值增大，正加速度段宽度减小，导致配气机构振动加剧。在设计过程中，一般先针对若干组幕指数，计算出反映凸轮特性的各相关参数，确定性能较好的一组作为计算方案。高次多项式型凸轮主要应用在对动力性能要求较高的现代高速车用发动机上22。1.1.4多项动力凸轮以上三种型线的凸轮都是把配气机构视为完全刚性的。但配气机构总是存在弹性变形。无论挺柱升程怎样设计，它与气门升程之间总是有差别的，因此，基于这一差别的考虑，对挺柱升程曲线预先做一定的修正，这样使用动力学计

15、算方法算出的气门升程曲线才比较理想。多项动力凸轮基本工作段的气门升程曲线是高次多项式来设计的，因此能够进行这种动力学修正的型线有很多种，应用最为广泛的是多项动力凸轮，这种凸轮具有良好的高速适应性。目前多项动力凸轮主要应用在高速汽油机中。1.2配气机构动力特性计算模型对于现代高速内燃机，传统的配气机构运动学计算不足以准确地描述各传动零部件的运动规律，必须考虑弹性变形。因此在进行配气凸轮机构设计时必须引入动力学计算模型。下面介绍一下单质量模型、多自由度模型、有限元模型等。1.2.1单质盆模型单质量模型就是单自由度质量弹簧振动模型，简称单质量模型。单质量模型把气门的运动用一个集中质量的运动来描述（集

16、中质量包含有气门质量以及其它传动零件换算到气门处的质量），集中质量一端通过刚度为C的气门弹簧与气缸盖联结，而另一端联结一假想的刚度为C的“弹簧”，此弹簧的上端由“当量凸轮”直接控制。用单质量模型可以对配气机构的运动，根据上述情况作出基本上达到工作精度要求的综合分析，并且计算量小，在配气机构设计方案初选阶段单自由度模型是经常使用的，但是更详细的情况，诸如传动链的飞脱，弹簧的颇颤振是否会导致过大的应力等等，就无法由单自由度模型的分析得到。1.2.2二质量模型二质量动力学模型将配气机构简化为两个集中当量质量M1和M2，其中，M1质量成分包括挺柱的质量，推杆的质量。M2为气门侧部件的质量。其中摇臂轴凸

17、轮一侧的质量、刚度和阻尼都应换算为相应的当量质量、当量刚度和当量阻尼。此两质量由一根代表气门系统刚度的弹簧相连，而气门弹簧使两质量与上述弹簧保持接触。该模型主要是分析挺柱刚度值、阻尼值的变化规律以及摇臂以前的传动链的刚度值和阻尼值的变化规律对配气机构动力特性的影响。1.2.3多自由度模型多自由度振动模型，简称多质量模型，与单质量模型相比，能够更精细地研究传动零部件的运动规律。在多自由度模型中，我们把挺柱推杆摇臂气门的传动链用四个集中质量来代替。把外弹簧用N1个集中质量来代替，内弹簧用N2个集中质量来代替其中最后一个质量且代表弹簧下座。此种计算称之为“4+Ni+N2”自由度模型。该模型考虑了高阶

18、振动的影响，细致描述了各驱动零件的运动规律23。多自由度系统计算便于对机构各零件，尤其是弹簧的运动进行分析。由于计算耗时太多，一般只在气门弹簧振动十分严重的重点工况下才进行多自由度系统计算。1.2.4有限元模型近些年来随着有限元技术的成熟和发展，采用有限元模型对配气机构进行动力学分析。可以得到整个配气机构的动力特性。配气机构有限元模型可以进行配气机构的动力计算，可以计算出配气机构各零件的位移、速度和加速度、零件的接触应力和变形。我们在研究气阀振动情况的下，描述气阀振动对工作可靠性和使用寿命的影响等方面往往使用有限元模型计算方法。1.3配气凸轮型线设计国内外研究现状国外自20世纪60年代起就有许

19、多学者开始对凸轮型线设计进行深入研究，然而相比而言，国内则起步比较迟，大约从1973年起某些科研院所才开始全面研究凸轮型线设计与动力学计算等课题。此间复旦大学在型线设计、程序设计，凸轮靠模计算等多领域独领风骚，而吉林工业大学则在多质量动力学研究方面有所建树。天津内燃机研究所和天津大学机械工程学院对配气机构建立了单质量配气机构动力学模型，编制了动力学计算程序，并利用所编制的程序对某一汽油机的配气系统进行了动力学计算，分析了计算结果。山东大学在设计内燃机高次多项式配气凸轮时，将最大速度点和最大加速度点确定在理想的位置上，这样有效的控制了加速度曲线的基本形状和主要特征。潍柴动力股份有限公司和山东大学

20、合作应用Boost和Tycon软件对WD618.42汽油机配气凸轮型线的改进设计，优化了配气相位和最大凸轮升程、轮廓线函数，提高了充气效率并降低了进排气凸轮最大接触应力昆明理工大学交通工程学院内燃机实验室应用巧门。对卧式2115汽油机配气凸轮型线的优化及动力学分析，减轻了气门落座的反跳现象。对于内燃机的配气凸轮的专门研究，研究内容也己经从最初的单纯的凸轮经验设计，拓展到包括整个配气机构在内的运动学与动力学的综合研究。凸轮型线的设计已从静态设计，动态设计发展到动力学优化设计。配气凸轮传统的设计方法是把配气机构看成绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形，这种设计称为静态设计，也就是运动学分析。然而事

21、实上凸轮本身是有弹性变形的，从气门到凸轮的中间环节也都是可变形的。所以在设计配气凸轮型线时必须考虑到配气机构的弹性变形。这种设计称为动态设计，也就是动力学分析。动态设计考虑配气机构的弹性变形，可更精确地描述配气机构的运动和受力情况，并统一考虑配气机构动态参数与凸轮型线，从而实现凸轮型线的最优化设计。国内外对凸轮曲线工作段上要有下面几种设计方法，多项动力凸轮，高次多项式型，组合多项式型，等加速等减速型，正弦抛物线型，其中以多项动力凸轮应用最为广泛，其特点是气门升程曲线取某种高次多项式，这种凸轮具有良好的高速适应性。在内燃机配气机构的动力学计算，不管是凸轮轴下置还是凸轮轴顶置式配气机构都有多种动力

22、学模型，主要有单质量模型、二质量模型、多质量摸型、有限元模型，其中吉林大学在多质量模型上有所建树。通常，内燃机的凸轮型线为对称型。这种凸轮型线的设计、制造方便，且在发动机反转时，配气机构的运动规律保持不变。但随着内燃机转速的提高和增压技术的不断发展，为了获得良好的匹配性能，常采用非对称凸轮型线。如法国采用MPC增压系统的PA6型柴油机，其进排）气凸轮的上升段角度、弧顶段角度和下降段角度分别为60(60), 23 (3530）和51 (90)。上海交通大学顾宏中教授开发的超高增压二次进气技术，也采用非对称凸轮型线。近年来，随着计算机技术的发展，计算机模拟仿真技术在汽车企业研发过程中应用十分广泛，

23、如计算流体力学(Cmapubdiowl Fluid Dyoamss,简称CFD)软件FIRE, FLUENT, WAVE, FLOWMASTLR等：发动机性能仿真软件GTPower, BOOST等；发动机与整车匹配软件CRUISE, GT-Drive等；有限元分析软件ANSYS：机械系统动力学仿真软件ADAMS等。对于配气机构设计的软件主要有AVL-Tycon和GT-Vtrain。本次凸轮型线的设计就是基于AVL-Tycon软件，此软件应用了二质量动力学模型，提供了三种凸轮型线的设计方法。该软件使设计速度与计算精度有很大程度的提高。但是，现在凸轮型线的优化设计仅从配气机构本身去优化配气系统，只

24、在动力学特性满足的情况下，考虑到丰满系数而不能从整个换气过程的流动损失入手，用充气效串等整机性能参数去直观地评价一台发动机换气性能的好坏。近年来国际和国内己开始运用内招机循环工作过程的计算机模拟程序与单纯的配气系统设计程序相结合，即将包含了系统运动学和动力学计算的配气凸轮优化设计程序纳入内燃机整机循环工作过程模拟软件中，形成机构参数设计与内燃机性能指标优化的全面模拟软件包。显然，这些软件一经成熟必将成为内燃机配气系统设计乃至整机性能优化设计的极为有效和实用的工具。整机工作过程的全模拟显然在发动机的设计与改进、多种性能的预侧、故障的诊断、设计参数的优化、寿命与可靠性的预测方面显示出巨大的优越性。

25、同时，也将大大减少发动机实验研究的次数，并且节省人力、物力和综合成本，从而大大提高设计效率和整机性能水平。因此，随着配气凸轮优化设计方法及内燃机工作过程的研究深入进行，不久的将来，这两者的结合必将促进内燃机在诸多方面取得决定性的成功和发展。1.4配气凸轮优化设计方法内燃机配气凸轮优化设计的优劣直接影响到其动力性、经济性、可靠性、振动、噪声与排放特性的好坏。配气凸轮的丰满系数越大，则进气量越多，内燃机的动力性能与经济性能越好，排气烟度与热负荷越低，凸轮形线的圆滑性越好，内燃机的振动与噪声越小；凸轮与挺柱间的接触应力越小；润滑特性越好，内燃机配气机构的冲击载荷及摩擦磨损越小10。配气凸轮型线优化设

26、计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设计参数。凸轮型线的设计己从静态设计、动态设计发展到系统动力学优化设计，系统动力学设计考虑配气机构的弹性变形，可更精确地描述配气机构的运动和受力情况，并统一考虑机构动态参数与凸轮型线，从而实现凸轮型线优化设计。1.4.1静态优化设计在静态优化设计中，将配气机构看成绝对刚体。不考虑它在运动时的弹性变形。用此方法设计凸轮型线主要用三项指标来判别其好坏。1）静态充气性能。通常用挺柱升程丰满系数和时面值来表示，希望此值越大越好。2）静态加油度峰值。即挺柱最大正加速度amax和最大负加速度amin，也就是说amax和amin的绝对值越小，高速动态

27、性能越好。3）凸轮廊面最小曲率半径，或者凸轮与挺柱表面的接触应力。设计凸轮时，应避免其最小曲率半径过小，这样会导致接触应力很大，并会使凸轮过早磨损。一般认为最小曲率半径应大于2mm。用静态优化设计法设计的圆弧凸轮，虽然加速度曲钱不连续，配气机构惯性力有突变，但有较大时面值。对转速不高的发动机来说，它所引起的振动和噪声较小，故在较低转速的发动机上还有一定的使用价值。但随着发动机转速的提高，振动和噪声趋向严重。为解决此问题，人们又用此法设计了函数凸轮，如复合正弦凸轮及复合摆线凸轮等。这类凸轮型线变化形式较多，但其加速度曲线都是连续的。当内燃机转速进一步提高时。配气机构的弹性变形引起气门强烈振动，严

28、重时会破坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了发动机的振动、噪声和各零件间的磨损，还会使充气性能有所下降，为了解决这些问题，人们就提出了动态设计的方法14。1.4.2动态优化设计在动态优化设计中，考虑弹性变形。把配气机构看成弹性系统，主要由下列指标来评价凸轮型线。1）气门的动态加速度峰值。也就是根据单质量振动模型或多质点振动模型计算出的最大正加速度波蜂值和第一个负加速度波谷值的大小，以及落座后的气门动态响应。2）动态充气性能。即考虑进排气管压力波动，多缸机各缸的抢气现象，配气相位对充气性能的影响。随着内燃机转速的提高，静态和动态充气性能的差别越来越大，这主要是由两部分因素引起的，一是当

29、转速提高。吸气过程缩短，进排气管压力波的动态效应增大；另一方面气门发生飞脱和反跳，破坏了正常的静态充气性能。3）挺柱与凸轮表面的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。但在实际上这些指标受到一些限制，如在动态充气性能计算中必须考虑到进排气管中的压力波动情况、配气相位的影响，这就需要求解一元不等熵流动的特征线方程组，而精确求解该方程组比较困难。另外动态充气性能主要受到进排气管和气道的结构尺寸的影响，所以往往把它和凸轮型线分开计算。凸轮脚面与挺柱表面的动力润滑一般只用道森半经验公式进行计算，所以有时也不考虑，实际上所谓的动态优化设计只比静态优化设计多考虑了动态加速度峰值，一般将配气机构简化成单质点

30、振动模型。用振动模型的动态加速度正负峰值来判断凸轮型线的好坏。用动态优化设计方法设计的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、rL次谐波凸轮等。多项动力凸轮只从弹性变形的角度出发设计凸轮外形，并未考虑配气机构的弹性振动，它仍然没有从根本上解决配气机构的振动等问题。谐波凸轮从振动理论出发，先计算配气机构的自振频率，然后按照给定条件设计谐波凸轮，这种凸轮型线在理论上引起配气机构的振动最小，被认为具有较好的工作平稳性，但设计时调整工作量大，特别难以控制负加速段的波动，且这种凸轮在缓冲段和工作段连接处附近有波动，很难作出合理设计，因此限制了它的应用。动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动问题，但同

31、限于凸轮型线的优化。而优化的目标常会使气门升程下的面积达到最大，即把凸轮的充气性能放在首位。这样的考虑显然不能达到系统优化的目的现在已出现针对系统优化的模型。将凸轮型线与配气系统的动态行为统一考虑，这种模型较为全面地顾及对配气系统的各种要求，达到较好的效果15。1.5凸轮优化设计总结在配气系统设计中，充气性能和动力性能是一对矛盾，以往设计凸轮往往片面追求比较大的时面值，现在则要求协调充气性能和平稳性两方面的要求。在优化设计研究中出现了同时兼顾上述两方面的双目标函数的模型，还要考虑涉及更多目标函数的多目标优化模型。配气机构各参数之间的匹配关系揭示了它们之间的内在联系，这对配气机构设计很有实际意义

32、。凸轮型线种类很多，但是己有的一些优化程序，常限于在某一型线范围内选取参数的优化组合，若采用能在多种型线范围内选择的优化设计程序，则会使凸轮型线设计得更加合理。优化设计在数学计算上已经取得了很大的进展，今后的任务主要是选择更切合实际的优化模型，使这种模型较全面的满足对配气系统的要求，达到较好的优化效果。为了得到缓和的加速度，以改进配气机构的动力学性能，可采用高次多项式函数凸轮，虽然函数凸轮的丰满系数往往较小，而采用最优化谁，并将丰满系数作为目标函数，则可以得到理想的结果。1.6课题研究主要内容基于高次方程气门运动规律设计通过Matlab软件进行气门型线的设计和气门运动分析,通过变摇臂比反推凸轮

33、型线，并与通过高次方程直接设计的凸轮进行对比，从而得到一种新的凸轮设计方法。基本参数包括：气门初始高度，初始速度，最大速度点和最大加速度点。具体工作如下：（1）查找相关文献，学习利用最大速度和最大加速度位置进行气门运动规律设计。（2）根据摇臂比对气门运动规律进行计算得出理想气门运动规律。（3）根据变摇臂比对凸轮运动规律进行反求。（4）对反求的凸轮运动规律与高次方程设计的凸轮运动规律进行对比。2基于高次方程凸轮型线设计发动机配气凸轮型线，是影响发动机配气机构性能好坏的关键因素之一。因此，针对发动机的工作特点，设计和选用一条性能良好的适合发动机工作需要的凸轮型线，对提高发动机的充气系数及工作性能，

34、以至提高发动机整机的动力性、经济性，都具有十分重要的意义。并且，在生产实践中，也常常需要对发动机原有的凸轮型线进行特性分析，找出其存在的不足或缺陷，作出相应的设计改进，以达到提高并完善发动机性能的目的。发动机凸轮型线的型式有多种，各有其优缺点及适用范围。合理选用、设计与发动机需要相适应的凸轮型线，是发动机设计人员要研究解决的重要课题之一。此次设计以高阶导数连续的高次多项式凸轮型线为研究对象。2.1普通高次多项式凸轮型线的设计整个凸轮轮廓由基圆、挺柱上升段和挺柱下降段组成，其中上升段和下降段又都各分为缓冲段和工作段两部分。上升工作段和下降工作段在桃尖最大升程处相接。上升缓冲段和下降缓冲段各处在对

35、应工作段与基圆之间。在缓冲段上，挺住升程很小，速度也很小，每一段所占凸轮轴转角度数叫做段长24。配气凸轮所对应的挺柱升程曲线在上升段和下降段各有一缓冲段，上升级冲段和下降缓冲段的设计可以是相同（对称）的，也可以不相同。例如在有些凸轮设计中，将上升缓冲段包角取得较短，而下降缓冲段的包角取得较长，其目的是使气门开启较快而关闭时落座又不致过大，但一般所见到的多数设计，其上升、下降缓冲段还是取成相同的。此外，缓冲段的设计还应考虑与基本段有连续光滑的连接。设置缓冲段的目的是控制住气门的初速度和落座速度，由于气门间隙在发动机运转过程中会因一些零件的热膨胀和磨损而发生变化，如果没有缓冲段，则在气门间隙较大时

36、，气门会受到较大的初始速度冲击和落座过度冲击，加剧机构的振动、嗓声以及气门和气门座锥面的冲击摩擦。安排缓冲段，并使缓冲段升程大于折算到挺柱端的气门间隙最大可能值，则气门间隙消除时刻和气门落座时刻挺柱总在缓冲段上，气门的初速度和落座速度得以控制。多数汽车发动机的进气凸轮不同于排气凸轮，而且一般表现为排气凸轮的工作段总长大于进气凸轮，最大升程、缓冲段与工作段衔接处的挺柱升程、挺柱速度也稍大于进气凸轮。凸轮型线的形状将直接形响发动机的性能、配气机构各部件的冲击负荷以及发动机的噪声，因此在凸轮型线计算中应遵循如下原则：1）在凸轮包角和气门最大升程不变的情况下，气门开启期的时面值应尽可能大，以利于提高气

37、门充气效率。2）控制气门开闭的加速度，减小配气机构各运动件的惯性力。3）应控制气门在工作段中的最大负加速度，以避免气门弹簧的设计困难。4）凸轮型线各区段接点处的加速度应尽量连续。以减小或避免机构中的冲击和振动。2.1.1缓冲曲线的设计设计组冲段曲线应保证缓冲段曲线与基圆和工作段的光滑连接，即在接点处相切且在该点附近挺柱速度足够小。以减小配气机构的冲击，因此对气门落座速度应进行限制，但落座速度也不能过小，否则不利于气门撞碎气门座上的杂质；此外，在缓冲段接近终点时，升程变化过于平缓，当配气机构间隙略有变化时造成气门启闭时刻有较大变化一般气门开启或关闭时的挺住速度0.01270.0524mm/凸轮转

38、角(deg)之间，缓冲曲线所占凸轮转角为1540，选定应与缓冲段终点处的挺柱升程及缓冲段的函数表达式综合考虑。一般的凸轮设计是分别用两个函数式表达从动件在基本工作段与缓冲段上的运动规律的，缓冲段函数的形式有多种，一般采用余弦型或等加速-等速型缓冲段。余弦缓冲段是常用的一种缓冲段，其挺柱升程曲线形式为 ，当 （2-1）式中P0缓冲段全升程；0缓冲段包角；。这段缓冲段的速度，加速度曲线为 （2-2）此处为凸轮旋转角速度。余弦缓冲段只含有两个可以任意调节的参数P0和q ；因此在缓冲段设计的三个基本参数：缓冲段包角0 ，缓冲段末端（=0时）的升程h0及速度v0r中，只要事先给出两个，而第三个则由这两个

39、来自然决定。一般说来，我们总是给出缓冲段全升程h0和包角0 ，这时，就决定了。而缓冲段末端的挺住速度也随之确定为 （2-3）如果这样算出的v0r，不符合要求，那就只好调整P0和q而重新计算。余弦缓冲段的计算较简单，其加速度曲线在缓冲段末端为0，因此易于与一般函数凸轮的基本段相接而保持二阶导数的连续性，但其三阶导数在缓冲段末端取负值。故一般不能与基本段保持连续相接。等加速等速型缓冲段的等速段保证气门机构间隙变化时，气门仍以不变的速度升起和落座，而且这种缓冲段在等速段的升程变化率较大，使实际气门间隙的变动对配气相位影响不大，而缓冲段的等加过段则可以保证凸轮从动件从基圆过渡到缓冲段工作时，速度由零逐

40、渐增大，无突变，工作平稳，而且凸轮外形在实际基圆与缓冲段相衔接处圆滑无尖点。等加速等速型缓冲段的挺柱升程曲线由两段组成，第一段为凹的抛物线，第二段为直线。挺住升程hr0 、速度Vr0和加速度Ar0计算如下：等加速段 （2-4） （2-5） （2-6）等速段 （2-7） （2-8） （2-9）式中 挺柱升程对凸轮转角的一阶导数（mm/rad）； 挺柱升程对凸轮转角的二阶导数（mm/rad2）； 缓冲段终点的挺住（mm）； 比例系数，； 缓冲段张角（rad）。对于高速强化发动机，以采用等加速等速型线缓冲曲线为宜。它具有如下特点：（1） 缓冲段终点的加速度为零，冲击和噪声较小；（2） 在气门的开启或

41、降落侧，气门间隙和配气机构的变化不会影响挺柱的速度和加速度，对配气正时的影响也不大。（3） 缓冲曲线终点时挺柱升程对凸轮转角的二阶、三阶导数皆为零，所以它与凸轮基本轮廓线衔接的光滑性较好。2.1.2工作段运动曲线设计在整体式函数凸轮运动曲线中，多项式高次方曲线是较早受到人们注意的一种曲线。因为多项式高次方曲线高阶连续，能满足较多的边界条件，曲线的形状易于调整，可适应不同的工作需要，因而应用较广。函数式一般可取5-7项。高次多项式凸轮型线可以表示为 （2-10）或 （2-11）式中幂指数p、q、r、s均为整偶数，且。这两种多项式已经满足了x=0处（凸轮顶点）y=0而有极限值（=0）的边界条件。五

42、项式（2-14）中的五个常系数C0 ，C2 ，.，Cr可从，或，或，五个边界条件解出。对六项式（2-11）还要再加上一个边界条件才能解出六个常系数。求解的结果是：对五项式 （2-12）对六项式 （2-13）高次多项式凸轮的挺柱工作升程图丰满系数b和挺柱最大负加速度为 （3-14）对于五项式型线，b式中的应删去。幂指数的选取对挺柱升程曲线的丰满系数程度，对加速度曲线形状（最大正负加速度值大小，正加速度段宽度）等均有直接影响。对于给定的设计要求来说，只要改变幂指数p、q、r、s就改变了高次方凸轮的挺柱运动规律。一般指数取得越大，则升程曲线越丰满，级大负加速度越小，使凸轮外形最小曲率半径增大，这对减

43、小该处接触应力，因而降低磨损是有利的。但是其负加速度初段形状不好，会提高对弹簧的要求，而且还使最大正加速度值急剧增大，正加速度段宽度减小，因而配气机构振动加剧。为了使负加速度极值点出现在最大升程处，负加速度曲线终段形状符合弹性，指数p必须为2，而指数q应大于4，其余各幂指数关系为，而且q的影响较大，r次之，s最小。此外，为了得到反对称于行程中间位置的加速度曲线，高次幂指数应采用连续值：为使加速度曲线有不对称的效果，则高次指数间的间隔可取为2或3。对于外形对称的凸轮。它们均应为偶数，一般可按以下公式选择： （3-15）其中m、n为正整数，并常取n=39，m=110。对称凸轮上升段的和对应相等，对

44、两段取同样的p，q，r，s，则两端的升程函数就有相同的C2，Cp .常系数。这样，上升段和下降段就可以统一用一个式子来表示，在凸轮顶点处自然是连续。不对称凸轮的，。要使其上升段和下降段在凸轮顶点出有同样的挺柱加速度，即，应有。这只能通过调整上升段或下降段的原始设计数据（指，）或调整一些幂指数来达到。高次方凸轮工作段型线不仅自身的挺柱加速度和加速度变化率处处连续，而且可以与等加速等速过渡段圆滑相接(交界处二者的和均为零），似乎有利于上高速。不过实际上由子高次多项式含有较大的高频分量，其高速性未必优于低次组合式凸轮型线，且设计结果往往是有较大的和较小的b，同时设计时调整不够灵活方便。2.2高次多项

45、式凸轮的新型设计方法发动机高次多项式配气凸轮传统的边界条件确定设计方法是通过建立函数型线。该边界条件不仅要求工作段始点与缓冲点的升程、速度和加速度连续，而且要求工作工作段始点的三阶以上导数为0（五项式的三阶导数为0，六项式的三四阶导数为0）。显然这种边界条件只能保证工作段始点的高阶导数光滑连续，而对凸轮型线的加速度曲线几乎没有影响。因此高次多项式凸轮存在最大加速度高、丰满系数低和设计调整不够灵活方便的缺点。为解决上述问题，将传统的设计方法做相应的改进，利用凸轮最大速度位置、最大加速度位置和边界条件共同求取高次多项式凸轮升程函数20。凸轮的加速度曲线主要影响配气机构的动力学特征和耐久性因此许多型

46、线（如复合摆线、正弦抛物线和多项式组合凸轮等）都是直接依据加速度曲线设计凸轮的。要设计理想的高次多项式型线也必须有效控制其加速度曲线，为此须改进凸轮设计方法。通过对高次多项式凸轮型线特性参数与凸轮和气门特征参数变化关系的分析，以凸轮型线特性参数与凸轮和气门特征参数变化的规律作为型线设计、调整的依据，考虑到增加多项式函数的项数，有利于提高凸轮升程丰满系数，故将凸轮型线设为七项式函数为 （2-16）式中，为凸轮工作段半包角，为以凸轮最大升程所对应的转角为起始点算起的凸轮转角。 、 、 、 、 为待定系数；p、q、r、s为待定幂指数。取正整数值，且。由于正加速度宽度和最大加速度位置决定加速度曲线的基本形状和主要特征，因此将凸轮最大速度和最大加速度确定在理想位置X1和X2点，对设计凸轮型线是非常重要的，故要求（2-1）首先满足以下两个条件：（1） 当时，凸轮型线的速度最大，即，代入（2-16）式中可得出： （2-17）（2） 当时，凸轮型线